一種多功能一體化發(fā)火芯片及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能一體化發(fā)火芯片及其控制方法。本發(fā)明的芯片包括：襯底、電火工品、保險開關、失效開關、失能開關和邏輯控制電路。本發(fā)明將電火工品、保險開關、失效開關、放電開關和邏輯控制電路分別制備成獨立的或彼此組合的芯片，既保證電火工品在非發(fā)火狀態(tài)下具有高安全性，又避免了沒有正常發(fā)火后的危害；同時，由于本發(fā)明使用了MEMS-CMOS工藝使得產(chǎn)品的一致性大大提高，體積大大降低，同時免除了傳統(tǒng)安全、解保系統(tǒng)的裝配問題，也降低了安全、解保系統(tǒng)安裝的空間要求；本發(fā)明成本低、體積??；可靠性高、耐受力強，可以提高在惡劣發(fā)射條件下的生存能力；模塊化封裝，通用性強，免裝配，易于生產(chǎn)和勤務處理。
【專利說明】一種多功能一體化發(fā)火芯片及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電火工品，具體涉及一種MEMS-CM0S集成安全、解保與發(fā)火一體化發(fā)火芯片及其控制方法。

【背景技術】
[0002]隨著微系統(tǒng)集成技術的發(fā)展，將該技術應用于安全、解保系統(tǒng)的設計與制造中是當前及未來安全、解保技術研究的熱點。安全、解保系統(tǒng)是保證發(fā)火控制裝置正常作用發(fā)火和平時勤務處理安全的關鍵機構，近年來，將微系統(tǒng)集成技術應用于安全與解保系統(tǒng)中，可以減小安全、解保系統(tǒng)的體積、提高可靠性及增加新的智能化功能。目前的大多數(shù)微型安全、解保系統(tǒng)只是實現(xiàn)了安全系統(tǒng)中的安全隔爆及解除兩道環(huán)境力保險功能，初級火工品還是以傳統(tǒng)的橋絲雷管為主，由于設計中需要考慮雷管外形及與系統(tǒng)連接關系的影響，無法做到安全、解保與發(fā)火的一體化設計影響了系統(tǒng)的安全性與可靠性。少數(shù)集成度較高的產(chǎn)品將機械保險裝置、電推銷器與隔爆裝置進行微系統(tǒng)集成，但由于系統(tǒng)中的機械安全裝置多為微機電系統(tǒng)MEMS彈性結構，彈性元件的性能對系統(tǒng)可靠性影響較大，且不易裝配，不利于機電式微安全、解保系統(tǒng)的大規(guī)模與低成本使用。


【發(fā)明內容】

[0003]針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種體積小巧、可靠性高、無可動結構、免裝配且易于批量生產(chǎn)，并且實現(xiàn)了基本安全、解保與發(fā)火系統(tǒng)全部功能的基于微系統(tǒng)集成技術的MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片。
[0004]本發(fā)明的一個目的在于提供一種多功能一體化發(fā)火芯片。
[0005]本發(fā)明的一種多功能一體化發(fā)火芯片包括:襯底、電火工品、保險開關、失效開關、失能開關和邏輯控制電路；其中，襯底劃分為動作區(qū)和邏輯控制區(qū)，動作區(qū)采用MEMS工藝，電火工品、保險開關、失效開關和失能開關設置在動作區(qū)上；邏輯控制區(qū)采用CMOS工藝，邏輯控制電路設置在邏輯控制區(qū)上；電火工品的兩個發(fā)火電極分別連接至外部的發(fā)火控制電路；保險開關的一對被控端與電火工品并聯(lián)，保險開關的一對控制端分別連接至外部的保險控制電路；失效開關的一對被控端與電火工品串聯(lián)，失效開關的一對控制端連接至外部的失效控制電路；失能開關的一對被控端并聯(lián)在保險控制電路的發(fā)火電容的兩端，失能開關的一對控制端連接至外部的失能控制電路；邏輯控制電路包括多個電極，分別連接至外部的各個控制電路。
[0006]邏輯控制電路包括發(fā)火控制電極、解除保險電極、失效控制電極和失能控制電極；其中，發(fā)火控制電極連接至發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口，向發(fā)火控制電路施加發(fā)火信號；解除保險電極連接至保險控制電路的解除保險信號端口，向保險控制電路施加解除保險信號；失效控制電極連接至失效控制電路的失效信號端口，向失效控制電路施加失效信號；失能控制電極連接至失能控制電路的失能信號端口，向失能控制電路施加失能信號。
[0007]電火工品包括電火工品襯底、兩個發(fā)火電極和作用區(qū)域,兩個發(fā)火電極和作用區(qū)域位于襯底上，兩個發(fā)火電極分別位于作用區(qū)域的兩端。
[0008]發(fā)火控制電路包括發(fā)火電容Cl和開關管Ql，開關管Ql為三端開關類電子管，例如三極管，MOSFET管或晶閘管。邏輯控制電路的發(fā)火控制電極連接至開關管Ql的門極控制引腳，開關管Ql的門極控制引腳作為發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口。
[0009]保險開關是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:保險襯底、保險控制橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、保險被控橋和鈍化層；其中，保險控制橋形成在保險襯底上，包括一對保險控制橋電極，以及連接二者的保險控制橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在保險控制橋上；絕緣層上與一對保險控制橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；保險被控橋形成在絕緣層上，包括一對保險被控橋電極，以及連接二者的保險被控橋橋區(qū)；一對保險被控橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；保險被控橋橋區(qū)覆蓋保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域；鈍化層形成在保險被控橋上；在鈍化層中分別與一對保險被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對保險被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對保險被控橋電極作為被控端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對保險控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對保險控制橋電極作為控制端引出；一對保險被控橋電極分別連接至電火工品的兩個發(fā)火電極上，與電火工品形成并聯(lián)；一對保險控制橋電極分別連接至保險控制電路的兩端。保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域即發(fā)生電爆的位置。
[0010]由于電火工品并聯(lián)常通狀態(tài)的保險開關，因此被短路。當邏輯控制電路通過解除保險電極，向保險控制電路的解除保險信號端口施加解除保險信號時，連接保險控制電路兩端的保險控制橋發(fā)生電爆，保險控制橋橋區(qū)產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹做功將重疊在保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域之上的保險被控橋橋區(qū)破壞，保險被控橋斷開，電火工品接入外部的發(fā)火控制電路，從而邏輯控制電路的發(fā)火控制電極向發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口施加發(fā)火控制信號，啟動發(fā)火電容Cl，使其向電火工品施加電流信號，電火工品發(fā)火。
[0011]失效開關是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失效襯底、失效控制橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、失效被控橋和鈍化層；其中，失效控制橋形成在失效襯底上，包括一對失效控制橋電極，以及連接二者的失效控制橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在失效控制橋上；絕緣層上與一對失效控制橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；失效被控橋形成在絕緣層上，包括一對失效被控橋電極，以及連接二者的失效被控橋橋區(qū)；一對失效被控橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；失效被控橋橋區(qū)覆蓋失效控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域；鈍化層形成在失效被控橋上；在鈍化層中分別與一對失效被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對失效被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對失效被控橋電極作為被控端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對失效控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對失效控制橋電極作為控制端引出；一個失效被控橋電極連接至電火工品的一個發(fā)火電極上，另一個失效被控橋電極和電火工品的另一個發(fā)火電極分別連接至發(fā)火控制電路的兩端，從而與電火工品串聯(lián)接入發(fā)火控制電路；一對失效控制橋電極分別連接至失效控制電路的兩端。
[0012]失效開關是一個常通狀態(tài)的開關，與電火工品串聯(lián)接入發(fā)火控制電路。當邏輯控制電路通過失效控制電極，向失效控制電路的失效信號端口施加失效信號時，連接失效控制電路兩端的失效控制橋發(fā)生電爆，失效控制橋橋區(qū)產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹做功將重疊在失效控制橋橋區(qū)之上的失效被控橋橋區(qū)破壞，失效被控橋斷開，電火工品與發(fā)火控制電路斷開連接，使得發(fā)火控制電路不能向電火工品提供發(fā)火能量，降低了其未發(fā)火后可能造成的危害。
[0013]失能開關是一個由常斷狀態(tài)向常通狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失能襯底、預連通橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、失能控制橋和鈍化層；其中，預連通橋形成在失能襯底上，包括一對預連通橋電極，以及二者之間的斷開的預連通橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在預連通橋上；絕緣層上與預連通橋的一對預連通橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；失能控制橋形成在絕緣層上，包括一對失能控制橋電極，以及連接二者的失能控制橋橋區(qū)；一對失能控制橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；失能控制橋橋區(qū)覆蓋預連通橋橋區(qū)斷開的位置；鈍化層形成在失能控制橋上；在鈍化層中分別與一對失能控制橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對失能控制橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對失能控制橋電極作為控制端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對預連通橋電極形成電學互聯(lián)，將一對預連通橋電極作為被控端引出；一對預連通橋電極并聯(lián)在發(fā)火控制電路的發(fā)火電容的兩端；一對失能控制橋電極分別連接至失能控制電路的兩端。
[0014]邏輯控制電路設置三個時間窗口:第一至第三時間窗口 ；芯片通電，啟動邏輯控制電路后，通過解除保險電極向保險控制電路的解除保險信號端口，施加解除保險信號，保險控制電路控制保險開關斷開，電火工品接入發(fā)火控制電路；當?shù)谝粫r間窗口到達后，通過發(fā)火控制電極向發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口，施加發(fā)火信號，發(fā)火控制電路控制電火工品發(fā)火；當?shù)诙r間窗口到達后，通過失效控制電極向失效控制電路的失效信號端口，施加失效信號，失效控制電路控制失效開關斷開，使得電火工品與發(fā)火控制電路斷開，若電火工品未在第一時間窗口發(fā)火，則第二時間窗口的操作保證其不會再發(fā)火；當?shù)谌龝r間窗口到達后，通過失能控制電極向失能控制電路的失能信號端口，施加失能信號，從而失能控制電路控制失能開關接通，發(fā)火控制電路的發(fā)火電容通過失能開關安全放電，若電火工品未在第一時間窗口發(fā)火，且未在第二時間窗口失效，則第三時間窗口的操作也能使發(fā)火電容不能向電火工品提供發(fā)火能量，進一步降低了未發(fā)火后可能造成的危害。
[0015]控制橋的厚度不超過2 μ m，長度不超過400 μ m,材料為Al或Cu，或者為重摻雜的半導體多晶硅。被控橋的厚度不超過2 μ m，長度不超過400 μ m，材料為Al或Cu，或者為重摻雜的半導體多晶硅。控制橋的控制橋區(qū)，或者被控橋的被控橋區(qū)，形狀為矩形，寬度在2 μ m?40 μ m之間，或者形狀為中間窄兩端寬的結構，并且為軸對稱的圖形，中間的最小寬度在2 μ m?40 μ m,兩端的最大的寬度在40 μ m?400 μ m。
[0016]絕緣層的厚度在0.5 μ m?2 μ m之間，用于保持控制橋和被控橋導線之間的絕緣。鈍化層位于最外層，材料采用與CMOS工藝相兼容的絕緣抗氧化材料，用于保護固態(tài)電子開關，防止其被氧化。
[0017]本發(fā)明的電火工品、保險開關、失效開關、失能開關和邏輯控制電路，可以分別單獨制成芯片后封裝在一起，或者直接制備到一塊芯片中。
[0018]本發(fā)明的另一目的在于提供一種多功能一體化發(fā)火芯片的控制方法。
[0019]本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的控制方法，包括以下步驟:
[0020]I)啟動邏輯控制電路，通過解除保險電極向保險控制電路的解除保險信號端口，施加解除保險信號，保險控制電路控制保險開關斷開，電火工品接入發(fā)火控制電路，邏輯控制電路開始計時；
[0021]2)當?shù)谝粫r間窗口到達后，通過發(fā)火控制電極向發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口，施加發(fā)火信號，發(fā)火控制電路控制電火工品發(fā)火；
[0022]3)當?shù)诙r間窗口到達后，通過失效控制電極向失效控制電路的失效信號端口，施加失效信號，失效控制電路控制失效開關斷開，使得電火工品與發(fā)火控制電路斷開；
[0023]4)當?shù)谌龝r間窗口到達后，通過失能控制電極向失能控制電路的失能信號端口，施加失能信號，從而失能控制電路控制失能開關接通，發(fā)火控制電路的發(fā)火電容通過失能開關安全放電，邏輯控制電路計時停止。
[0024]本發(fā)明將電火工品、保險開關、失效開關、失能開關和邏輯控制電路分別制備成獨立的或彼此組合的芯片，既保證電火工品在非發(fā)火狀態(tài)下具有高安全性，又避免了沒有正常發(fā)火后的危害；同時，由于本發(fā)明使用了 MEMS-CM0S工藝使得產(chǎn)品的一致性大大提高，體積大大降低，同時免除了傳統(tǒng)安全、解保系統(tǒng)的裝配問題，也降低了安全、解保系統(tǒng)安裝的空間要求。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0026]本發(fā)明采用與標準CMOS加工工藝類似的MEMS-CM0S工藝，使用氧化、外延、光刻、干/濕法刻蝕、物理/化學氣相沉積等技術，在批量制造微系統(tǒng)和微結構上有明顯優(yōu)勢。本發(fā)明通過對安全、解保與發(fā)火原理的設計、一體化芯片中各MEMS組件及結構的選擇、一體化芯片中CMOS電路部分的設計及各組件內部聯(lián)線之間的能量關系匹配，核心結構可以用MEMS-CM0S加工工藝來加工，將現(xiàn)有技術中的大尺寸三維機構縮小成為一個小尺寸平面芯片結構。本發(fā)明的一體化芯片可以在實現(xiàn)傳統(tǒng)的使用安全、保險系統(tǒng)核心功能的同時，使體積大大縮小，并集成了發(fā)火功能，提高了大規(guī)模加工的一致性，增加了系統(tǒng)可靠性，并且免于裝配并降低成本。芯片面積不超過50mmX50mm。主要優(yōu)點可以歸結為:
[0027]1、便于批量加工，工藝一致性好，可降低生產(chǎn)成本；
[0028]2、體積小，可用于小口徑彈藥；
[0029]3、可靠性高、耐受力強，可以提高在惡劣發(fā)射條件下的生存能力；
[0030]4、模塊化封裝，通用性強，免裝配，易于生產(chǎn)和勤務處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的結構示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的保險開關的爆炸圖；
[0033]圖3為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的失效開關的爆炸圖；
[0034]圖4為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的失能開關的爆炸圖；
[0035]圖5為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片與外電路連接的電路原理圖，其中，(a)為處于安全狀態(tài)，(b)為處于解除保險狀態(tài)，(C)為處于失效狀態(tài)，(d)為處于失能狀態(tài)；
[0036]圖6為本發(fā)明的發(fā)火控制電路的發(fā)火電容的放電原理圖；
[0037]圖7為本發(fā)明的多功能一體化發(fā)火芯片的剖面圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0039]實施例一
[0040]如圖1所示，本實施例的多功能一體化發(fā)火芯片包括:襯底O、電火工品1、保險開關2、失效開關3、失能開關4和邏輯控制電路5 ;其中，襯底O劃分為動作區(qū)I和邏輯控制區(qū)II，動作區(qū)I采用MEMS工藝，電火工品1、保險開關2、失效開關3和失能開關4設置在動作區(qū)I上；邏輯控制區(qū)II采用CMOS工藝，邏輯控制電路5設置在邏輯控制區(qū)II上；電火工品I的兩個發(fā)火電極11分別連接至外部的發(fā)火控制電路01 ;保險開關2的一對被控端241與電火工品并聯(lián)，保險開關2的一對控制端221分別連接至外部的保險控制電路02 ;失效開關3的一對被控端341與電火工品串聯(lián)，失效開關3的一對控制端321連接至外部的失效控制電路03 ;失能開關4的一對被控端421并聯(lián)在保險控制電路的發(fā)火電容的兩端，失能開關4的一對控制端441連接至外部的失能控制電路04 ;邏輯控制電路5包括發(fā)火控制電極51、解除保險電極52、失效控制電極53、失能控制電極54、電源電極55和地電極56。
[0041]電火工品I包括電火工品襯底、兩個發(fā)火電極11和作用區(qū)域，兩個發(fā)火電極11和作用區(qū)域位于襯底上，兩個發(fā)火電極11分別位于作用區(qū)域的兩端。
[0042]如圖2所示，保險開關2是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:保險襯底21、保險控制橋22、絕緣層23、金屬互聯(lián)27、保險被控橋24和鈍化層25 ;其中，保險控制橋22形成在保險襯底21上，包括一對保險控制橋電極，以及連接二者的保險控制橋橋區(qū)；絕緣層23覆蓋在保險控制橋22上；絕緣層23上與一對保險控制橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)27 ;保險被控橋24形成在絕緣層23上，包括一對保險被控橋電極，以及連接二者的保險被控橋橋區(qū)；一對保險被控橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；保險被控橋橋區(qū)覆蓋保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域；鈍化層25形成在保險被控橋24上；在鈍化層25中分別與一對保險被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤264，分別與一對保險被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對保險被控橋電極作為被控端241引出；在鈍化層25中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤262，分別通過金屬互聯(lián)27與一對保險控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對保險控制橋電極作為控制端221引出；一對保險開關2的被控端241分別連接至電火工品的兩個發(fā)火電極11上，與電火工品I形成并聯(lián)；一對保險開關2的控制端221分別連接至保險控制電路02的兩端。保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域即發(fā)生電爆的位置。
[0043]如圖3所示，失效開關3是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失效襯底31、失效控制橋32、絕緣層33、金屬互聯(lián)37、失效被控橋34和鈍化層35。在鈍化層35中分別與一對失效被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤364,分別與一對失效被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對失效被控橋電極作為被控端341引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤362，分別通過金屬互聯(lián)與一對失效控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對失效控制橋電極作為控制端321引出；失效開關3的一個被控端341連接至電火工品I的一個發(fā)火電極11上，效開關3的另一個失被控端341和電火工品的另一個發(fā)火電極11分別連接至發(fā)火控制電路Ol的兩端，從而與電火工品I串聯(lián)接入發(fā)火控制電路01 ；一對失效開關3的控制端321分別連接至失效控制電路03的兩端。
[0044]如圖4所示，失能開關4是一個由常斷狀態(tài)向常通狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失能襯底41、預連通橋42、絕緣層43、金屬互聯(lián)47、失能控制橋44和鈍化層45 ;在鈍化層45中分別與一對失能控制橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤464,分別與一對失能控制橋電極相接觸形成電學互聯(lián),將一對失能控制橋電極作為控制端441引出；在鈍化層45中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤462，分別通過金屬互聯(lián)與一對預連通橋電極形成電學互聯(lián)，將一對預連通橋電極作為被控端421引出；一對失能開關4的被控端421并聯(lián)在發(fā)火控制電路01的發(fā)火電容Cl的兩端；一對失能開關4的控制端441分別連接至失能控制電路04的兩端。
[0045]邏輯控制電路5包括發(fā)火控制電極51、解除保險電極52、失效控制電極53和失能控制電極54 ;其中，發(fā)火控制電極連接至發(fā)火控制電路01的發(fā)火信號端口 011，向發(fā)火控制電路施加發(fā)火信號；解除保險電極52連接至保險控制電路02的解除保險信號端口 021，向保險控制電路02施加解除保險信號；失效控制電極53連接至失效控制電路03的失效信號端口 031，向失效控制電路03施加失效信號；失能控制電極54連接至失能控制電路04的失能?目號端口 041,向失能控制電路04施加失能/[目號。
[0046]發(fā)火控制電路01包括發(fā)火電容Cl和開關管Q1，開關管Ql為三端開關類電子管，例如三極管，MOSFET管或晶閘管。邏輯控制電路的發(fā)火控制電極連接至開關管Ql的門極控制引腳。開關管Ql的門極控制引腳作為發(fā)火控制電路01的發(fā)火信號端口 011。
[0047]邏輯控制電路包括三個時間窗口:第一至第三時間窗口。
[0048]當不需要引爆電火工品時，電火工品I與保險開關20并聯(lián)，此時由于保險開關2的分流作用，使得電火工品I在即使達到發(fā)火條件仍就不能發(fā)火，此時處于安全狀態(tài)，如圖5(a)所示；當芯片通電，啟動邏輯控制電路，電源向發(fā)火電容Cl和外保險控制電路02、失效控制電路03與失能控制電路04中的電容充電，此時，邏輯控制電路5或者外部的激勵信號通過解除保險電極52向保險控制電路02的解除保險信號端口 021發(fā)出解除保險信號，保險控制電路02使保險開關2斷開，電火工品I接入發(fā)火控制電路01，此時處于解除保險狀態(tài)，如圖5(b)所示，同時邏輯控制電路5開始計時；當?shù)谝粫r間窗口到達后，邏輯控制電路5通過發(fā)火控制電極51向Ql的門極控制引腳輸出一個發(fā)火控制信號導通開關管Q1，發(fā)火電容Cl通過開關管Ql向電火工品I施加電流信號，電火工品I發(fā)火；當?shù)诙r間窗口到達后，邏輯控制電路5通過失效控制電極53向失效信號端口 031發(fā)出失效信號，啟動失效控制電路03斷開失效開關3，使得電火工品I與發(fā)火控制電路01斷開，此時處于失效狀態(tài)，如圖5(c)所不,若電火工品I未在第一時間窗口發(fā)火，則第一時間窗口的操作保證其不可再次發(fā)火；當?shù)谌龝r間窗口到達后，邏輯控制電路5通過失能控制電極54向失能信號端口041發(fā)出失能信號，啟動失能控制電路04閉合失能開關4，使得發(fā)火電容Cl通過失能開關4安全放電，此時處于失能狀態(tài)，如圖5(d)所不,若電火工品I未在第一時間窗口發(fā)火且未在第二時間窗口失效，則第三時間窗口的操作使得發(fā)火電容Cl不能向電火工品I提供發(fā)火能量，進一步降低了未能發(fā)火后可能造成的危害。邏輯控制電路5計時停止。
[0049]如圖6所示，本發(fā)明中的保險控制電路02、失效控制電路03與失能控制電路04均為相同的電容放電電路；電路包括電源、二極管Dx，電容Cx和開關管Qx，開關管Qx可以是三極管，MOSFET管、晶閘管或其它開關類電子管。一體化芯片通電后，電源向電容Cx充電，當電路從端口 a接收到外部信號時，開關管Qx導通，電容Cx通過端口 b和端口 c放電使得端口 b和端口 c之間的器件發(fā)生電爆。例如保險控制電路02，端口 a為021連接到解除保險電極52，端口 b和端口 c連接到保險開關的控制端221，當邏輯控制電路5通過解除保險電極52發(fā)出解除保險信號后，晶閘管Qx導通，使得電容Cx通過保險開關2放電，使得保險控制橋發(fā)生電爆，斷開正交于其上方的保險被控橋，即保險開關2斷開。又如失效控制電路03端口 a為031連接到失效控制電極53，端口 b和端口 c連接到失效開關的控制端321，當邏輯控制電路5通過失效控制電極53發(fā)出失效信號后，晶閘管Qx導通，使得電容Cx通過失效開關3放電，使得失效控制橋發(fā)生電爆，斷開正交于其上方的失效被控橋，即失效開關3斷開。又如失能控制電路04端口 a為041連接到失能控制電極54，端口 b和端口 c連接到失能開關的控制端441，當邏輯控制電路5通過失能控制電極54發(fā)出失能信號后，晶閘管Qx導通，使得電容Cx通過失能開關4放電，使得失能控制橋發(fā)生電爆，接通正交于其下方的預連通橋，即失能開關4閉合。
[0050]如圖7所示，本發(fā)明中的多功能一體化芯片的制備方法包括:準備雙面拋光硅基片701 (〈100〉晶向)為原料作為芯片基底，清洗后經(jīng)雙面氧化與等離子增強型化學氣象沉積方法(LPCVD)，生成厚度2 μ m左右的鈍化層702 ;在清洗后繼續(xù)對硅片用LPCVD的方法在650°C的條件下淀積0.5 μ m厚的多晶硅層，之后在多晶硅層上利用氧化、擴散、光刻、離子注入、物理氣相沉積等方法形成表面電路層703，利用LPCVD方法沉積表面鈍化層704完成芯片的制備。
[0051]最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內容，本發(fā)明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種多功能一體化發(fā)火芯片，其特征在于，所述芯片包括:襯底、電火工品、保險開關、失效開關、放電開關和邏輯控制電路；其中，襯底劃分為動作區(qū)和邏輯控制區(qū)，動作區(qū)采用MEMS工藝，電火工品、保險開關、失效開關和放電開關設置在動作區(qū)上；邏輯控制區(qū)采用CMOS工藝，邏輯控制電路設置在邏輯控制區(qū)上；所示電火工品的兩個發(fā)火電極分別連接至外部的發(fā)火控制電路；所示保險開關的一對被控端與電火工品并聯(lián)，保險開關的一對控制端分別連接至外部的保險控制電路；所示失效開關的一對被控端與電火工品串聯(lián)，失效開關的一對控制端連接至外部的失效控制電路；所述失能開關的一對被控端并聯(lián)在保險控制電路的發(fā)火電容的兩端，失能開關的一對控制端連接至外部的失能控制電路；邏輯控制電路包括多個電極，分別連接至外部的各個控制電路。
2.如權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述邏輯控制電路包括發(fā)火控制電極、解除保險電極、失效控制電極和放電控制電極；其中，發(fā)火控制電極連接至發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口，向發(fā)火控制電路施加發(fā)火信號；解除保險電極連接至保險控制電路的解除保險信號端口，向保險控制電路施加解除保險信號；失效控制電極連接至失效控制電路的失效信號端口，向失效控制電路施加失效信號；失能控制電極連接至失能控制電路的失能信號端口，向失能控制電路施加失能信號。
3.如權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述保險開關是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:保險襯底、保險控制橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、保險被控橋和鈍化層；其中，保險控制橋形成在保險襯底上，包括一對保險控制橋電極，以及連接二者的保險控制橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在保險控制橋上；絕緣層上與一對保險控制橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；保險被控橋形成在絕緣層上，包括一對保險被控橋電極，以及連接二者的保險被控橋橋區(qū)；一對保險被控橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；保險被控橋橋區(qū)覆蓋保險控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域；鈍化層形成在保險被控橋上；在鈍化層中分別與一對保險被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對保險被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對保險被控橋電極作為被控端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對保險控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對保險控制橋電極作為控制端引出；一對保險被控橋電極分別連接至電火工品的兩個發(fā)火電極上，與電火工品形成并聯(lián)；一對保險控制橋電極分別連接至保險控制電路的兩端。
4.如權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述失效開關是一個由常通狀態(tài)向常斷狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失效襯底、失效控制橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、失效被控橋和鈍化層；其中，失效控制橋形成在失效襯底上，包括一對失效控制橋電極，以及連接二者的失效控制橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在失效控制橋上；絕緣層上與一對失效控制橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；失效被控橋形成在絕緣層上，包括一對失效被控橋電極，以及連接二者的失效被控橋橋區(qū)；一對失效被控橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；失效被控橋橋區(qū)覆蓋失效控制橋橋區(qū)的作用區(qū)域；鈍化層形成在失效被控橋上；在鈍化層中分別與一對失效被控橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對失效被控橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對失效被控橋電極作為被控端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對失效控制橋電極形成電學互聯(lián)，將一對失效控制橋電極作為控制端引出；一個失效被控橋電極連接至電火工品的一個發(fā)火電極上，另一個失效被控橋電極和電火工品的另一個發(fā)火電極分別連接至發(fā)火控制電路的兩端，從而與電火工品串聯(lián)接入發(fā)火控制電路；一對失效控制橋電極分別連接至失效控制電路的兩端。
5.如權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述失能開關是一個由常斷狀態(tài)向常通狀態(tài)轉換的固態(tài)電子開關，包括:失能襯底、預連通橋、絕緣層、金屬互聯(lián)、失能控制橋和鈍化層；其中，預連通橋形成在失能襯底上，包括一對預連通橋電極，以及二者之間的斷開的預連通橋橋區(qū)；絕緣層覆蓋在預連通橋上；絕緣層上與預連通橋的一對預連通橋電極正對的位置設置有多個通孔，形成一對通孔陣列，內部填充金屬互聯(lián)；失能控制橋形成在絕緣層上，包括一對失能控制橋電極，以及連接二者的失能控制橋橋區(qū)；一對失能控制橋電極與一對通孔陣列的位置沒有重疊；失能控制橋橋區(qū)覆蓋預連通橋橋區(qū)斷開的位置；鈍化層形成在失能控制橋上；在鈍化層中分別與一對失能控制橋電極相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別與一對失能控制橋電極相接觸形成電學互聯(lián)，將一對失能控制橋電極作為控制端引出；在鈍化層中分別與一對通孔陣列相對的地方設置有焊盤通孔，內部設置有一對焊盤，分別通過金屬互聯(lián)與一對預連通橋電極形成電學互聯(lián)，將一對預連通橋電極作為被控端引出；一對預連通橋電極并聯(lián)在發(fā)火控制電路的發(fā)火電容的兩端；一對失能控制橋電極分別連接至失能控制電路的兩端。
6.如權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述發(fā)火控制電路包括發(fā)火電容Cl和開關管Q1，開關管Ql為三端開關類電子管。
7.—種權利要求1所述的多功能一體化發(fā)火芯片的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟: 1)啟動邏輯控制電路，通過解除保險電極向保險控制電路的解除保險信號端口，施加解除保險信號，保險控制電路控制保險開關斷開，電火工品接入發(fā)火控制電路，邏輯控制電路開始計時； 2)當?shù)谝粫r間窗口到達后，通過發(fā)火控制電極向發(fā)火控制電路的發(fā)火信號端口，施加發(fā)火信號，發(fā)火控制電路控制電火工品發(fā)火； 3)當?shù)诙r間窗口到達后，通過失效控制電極向失效控制電路的失效信號端口，施加失效信號，失效控制電路控制失效開關斷開，使得電火工品與發(fā)火控制電路斷開； 4)當?shù)谌龝r間窗口到達后，通過失能控制電極向失能控制電路的失能信號端口，施加失能信號，從而失能控制電路控制失能開關接通，發(fā)火控制電路的發(fā)火電容通過失能開關安全放電，邏輯控制電路計時停止。
【文檔編號】B81B7/02GK104140073SQ201410395741
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權日:2014年8月13日
【發(fā)明者】丁旭冉, 婁文忠, 趙越 申請人:北京理工大學